无线通信中的信息安全Word格式.docx
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无线通信中的信息安全Word格式.docx
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一般情况下,只要侦听者对截收到的内容保守秘密,而且不将其用于商业用途,这种侦听对大多数用户来说还是可以容忍的。
但正如前所述,随着我们越来越多地将公共通信网络用于传送敏感的商业信息或私人信息,对通信网络安全性能的需求已经大大增加。
这其中最受人关注的即是无线接口的安全问题。
一般的要求是,无线接口起码应该提供与传统有线网络可比的安全性能。
但是,在移动通信系统中,确实有一些安全保护的特性,使得在大范围内实施无线监听在实际操作时不是那么可能。
尽管利用扫描器可以很容易地选择一个谈话进行侦听,但是要找到某个特定的谈话却并不容易,更别说当谈话一方或双方都是移动用户的同时有许多谈话在进行的情况了。
蜂窝与蜂窝之间经常性的切换也可以在很大程度上增大一个侦听者长时间监听某个特定谈话的难度。
随着第二代数字蜂窝移动通信系统在世界范围内部署,模拟蜂窝移动通信系统所占的比例日益缩小,并最终完全由数字系统替代。
由于数字蜂窝移动通信系统传输的是数字化语音,从而可以实施更加复杂的语音编码方法与调制方法,因此,在总体上将比模拟蜂窝移动通信系统安全。
另一方面,数据加密方法也日益被普遍采用。
以下将分别讨论这两种技术。
1.传输方案
模拟蜂窝移动通信系统大都采用频分多址(FDMA)技术将可用频谱划分为信道。
每当一个呼叫建立时,系统就必须给用户分配一个专用信道,该信道在以后的呼叫进行过程中都由用户独占使用。
这种技术相当简单,实现也很容易,但它没有有效使用宝贵的频谱资源。
从安全性角度上来讲,无线接口上传送的内容也相对极容易受到窃听(使用普通的扫描器,任意侦听者都可以选择某个通话并锁定,然后一直到谈话结束)。
为了进一步提高频谱利用率,第二代数字移动通信系统都使用时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)技术来进行信道划分。
这两种技术都采用数字化语音,因此利用相同的频谱可以同时传送更多的谈话,从而更加有效地使用频谱。
在TDMA传输方案中,一方面频谱还是象在FDMA中一样被划分成信道,但是每个信道又被进一步划分成时隙,由多个用户共享。
要传送的谈话内容也相应地基于一定的时分方案分割成段。
CDMA传输方案与TDMA不同,它是以扩频理论为基础的。
相对于TDMA中一个用户使用某个信道的一个时隙,CDMA中每个用户在通信期间占有所有的频率和时间,但不同用户具有不同的正交码形,用以区分不同用户的信息,避免互相之间干扰。
当然,不论是在TDMA还是CDMA中,接收端都必须将接收到的所有语音段重新组合成原来的谈话内容。
显然,通过在无线接口使用TDMA或CDMA技术都使得传输内容更难受到窃听攻击。
尤其是在CDMA系统中,侦听传输将比在TDMA系统中的难度更大,从而可以提供更好的安全性能。
尽管如此,由于不论是TDMA还是CDMA的技术标准都是公开的,它们还是有受到攻击的潜在可能。
随着数字扫描器与解码器成本的降低,仅仅通过在无线接口上采用诸如TDMA或CDMA之类的复杂传输方案,将不足以保证传输内容安全。
因此,蜂窝业界开始更加倾向于使用密码技术以获得足够的安全性能。
2.数据加密技术
数据加密技术长期以来就用于军事目的,而今天不论是在模拟网络还是数字网络都开始广泛使用这一技术。
整个加密过程通常包括在信号被传输之前进行某种加密变换,并且在接收端进行逆变换。
如果整个加密过程是秘密的,则侦听者将无法从截收到的信号中恢复出原来的谈话内容,从而保证了传输内容的安全。
在模拟系统中,通常通过改变模拟信号波形来进行加密。
可以在输出信号中注入谐波分量,导致信号产生谐波歧变。
当接收端收到这一加密过的信号时,就进行相反的过程以重构原始信号。
数字蜂窝系统由于将语音信号数字化了,因此可以实现更加复杂的数据加密算法。
在GSM中,采用了流密码算法A5来加密无线链路上的所有传输(包括用户数据与信令信息)。
尽管算法本身是不变的,但其使用的加密密钥是由网络认证用户时临时产生,从而每次都是不同的。
IS-54使用了3个算法,分别用于加密语音业务、无线数据业务及控制信道。
但这些算法能在多大程度上保护无线传输内容尚有待证明。
近来,为了获得更高的安全性能,出现了不少基于公钥体制(如RSA)的新算法。
但加/解密操作的速度以及由此而增加的时延,常常限制使用无限复杂的算法。
因此必须有所取舍。
随着信号处理硬件速度的提高和软件算法的改进,将有可能采用更加复杂的算法,并因此获得更好的安全性,但算法攻击者的能力无疑也将随着提高。
算法设计者与算法攻击者的这场战斗还将在很长一段时间内持续下去。
二、移动用户认证
无线传输技术的广泛采用还引起了另一个问题。
在传统有线电话中,一个用户可以通过某个交换机上特定的一对线路唯一确定。
移动用户则经常从一个地方漫游到另一个地方,并在不同时刻从不同的点接入网络。
这种用户与某一特定物理设施之间联系的缺乏,或用户的移动性,给网络认证用户带来了难度,从而使整个系统很容易受到欺骗威胁。
无线蜂窝业界则尤其关注这个问题,因为不论是对运营者还是消费者来讲,对网络的成功欺骗都会使有关开支增加,并使无线通信相对于有线通信的竞争力下降。
美国联邦通信委员会(FCC)在1997年的估计是,由此而引起的损失每年将超过4亿美元。
一些分析家则认为实际的损失很可能更大。
而且,运营者往往会通过某种手段将这些损失转嫁给用户,因此最后的结果是移动用户将不得不支付这笔开支。
为了说明蜂窝欺骗是如何奏效的,最好的办法是先来看看在蜂窝系统中(尤其是第一代模拟系统)是如何来识别移动电话的。
在模拟系统中,每个移动电话都用一个唯一的电子序列号(ESN)标识。
在网络运营者分配电话号码并开通时,移动用户又得到一个移动识别号(MIN)。
每当移动用户试图通话(呼叫建立)时,移动电话都会将ESN和MIN传送给移动交换机。
只要这两者相符,呼叫过程就可以继续,并且有关费用将计到移动识别号为MIN的移动用户身上。
但是,由于ESN和MIN都是以明文形式在无线接口上传输的,它们很可能被截收。
因此,要克隆蜂窝电话,克隆者只需将此ESN和MIN记录下来,利用计算机和相应的软件重新写入另一蜂窝电话即可。
(尽管蜂窝电话可以,也应该做成不可擦写的,但还是有合理的理由将它们做成可擦写的,例如,如果某个电话被克隆,可以重新设置ESN和MIN。
)由于网络根本无从区分两个蜂窝电话(克隆的与合法的),这种蜂窝欺骗可以一直进行下去,直到合法用户收到帐单为止。
与模拟系统相比,现行的数字蜂窝系统都不再采用这种透明传送用户识别信息的方法来认证移动用户,通常都是采用提问—响应认证协议。
网络给移动用户发送一个提问,并要求用户作出相应响应。
虽然任何人都可以轻而易举地截收到网络的提问,但计算相应的响应需要用到与特定用户相关的秘密信息,并且该秘密信息只有合法用户知道,因此,只有合法用户知道正确地响应。
其中使用的认证算法可以采用密码学杂凑函数设计成,即使网络的提问与相应的响应都被截收,截收者也很难计算出与合法用户相关的秘密信息。
随着蜂窝电话计算能力的增强,以及包括公钥加密算法在内的密码学理论的发展,已经提出了不少更加复杂的用户认证协议用于下一代的个人通信系统(PCS)。
但是这些协议都必须经过公众的严格检查以排除安全漏洞,在协议的安全性与复杂性之间也必须做出选择。
三、用户位置保密
除了移动用户的认证,无线通信中存在的另一个问题是用户个人信息(尤其是用户位置信息)的保密。
与有线网络中任一通信者的位置都是确定的这一点不同,移动用户的精确位置有一定的不确定性。
对某些用户而言,这一位置信息可能与通信内容一样重要,因此同样需要保密。
但是,为了使交换设备能成功连接移动用户,用户位置信息又是必需的。
确切地讲,只要蜂窝电话打开,即使并没有使用,也必须在位置更新过程中定期向网络汇报自己的位置。
这使得移动用户的位置极易被跟踪。
尽管这与无线通信技术关系不大,对移动用户的位置信息提供完全的保护并没有受到足够的重视。
在第一代模拟蜂窝系统中,用户的识别信息都以明文形式在无线接口上传输,跟踪某个特定用户也非常简单。
在GSM中已经有所改进。
网络给每个移动用户分配了一个叫做临时移动用户识别号TMSI的本地号码,并在无线接口上使用此TMSI来识别移动用户,从而将用户的真实身份——国际移动用户识别号IMSI保护起来。
因为TMSI并不与某个移动用户永久联系,对移动用户位置的跟踪将不可能。
但是,如果发生位置更新错误,或者移动台没有可用的TMSI,还是可以使用IMSI进行位置更新。
由于CDMA技术固有的安全特性,现行的CDMA系统对移动用户的位置信息没有采取特别的保护措施。
移动用户的身份信息除了在无线接口上可能被截收,另外,由于网络端的数据库中也存储着所有移动用户的位置信息,同样有被截收的可能,因此也必须加以保护。
数据库的物理安全显然已经超出了本文的讨论范围,但值得注意的是,许多运营商都在试图利用这些位置信息来提供新的业务,如车辆定位系统。
有些业务要求系统收集移动用户的大量数据,从而可能引起对用户隐私权的严重破坏。
问题的关键是在设计这类系统或子系统时必须考虑用户的隐私。
四、几点考虑
1.密码技术的使用
为了进一步加强系统抵御窃听与蜂窝欺骗的能力,整个蜂窝电话业都开始重视密码技术的应用。
但是,在真正这样做之前,必须经过审慎的考虑。
尤其是有关的密码学算法及协议都应该经过严格检查,以保证它们没有安全漏洞,并且确实能够提供所希望的安全性能。
毕竟,正如B.Schneier所指出的,弱的密码技术从表面上看来与强的密码技术没有什么区别。
但从某种意义上讲,弱的密码技术甚至比根本就没有使用密码技术更糟,因为这给人以安全的假象。
密码学者最近几次对美国现行数字移动通信系统中采用的加密算法以及GSM有关算法的成功攻击再次表明,仅仅通过将算法保密起来的方法是无助于提高算法安全性的。
2.调整与行政管理措施
除了采取一定的技术手段,相应的调整与行政管理措施也是必要的。
例如,可以禁止非法使用扫描器,并在一旦发现后给予严厉惩罚。
由于蜂窝用户的移动性,无疑将会给有关法律的实施带来格外的难度,因此,整个电信业必须加强合作,以共同抵御这一领域的犯罪活动。
2高效的GSM900/1800双频网的组建方案
□上海邮电设计院杨海燕
GSM和其他无线通信系统一样,其容量主要受限于无线频率,在许多地区,特别是在经济发达的大城市和特大城市,900MHz频带上的频率资源已十分紧张,某种程度上已严重制约了移动通信业务的发展,如何开发新的频率资源、提高频率利用率,以尽可能地提高GSM网容量,已成为移动通信运营商亟待解决的问题。
ETSI规定,GSM在900MHz上的频带包括2个25MHz的子频带:
890MHz~915MHz(上行链路,移动台到基站)和935MHz~960MHz(下行链路,基站到移动台),中国目前只有中国移动和中国联通2家GSM运营商,中国移动已使用了约12MHz的频段,中国联通也使用了约6MHz的频段,而这两家运营公司目前均已面临频率资源不足的问题,随着中国在WTO的复关在即,今后我国还可能引进其他的运营商,由于每个运营商仍只能分到上述频带中的一部分,频率资源的紧张程度可见一斑。
由于1800MHz频带与900MHz频带的无线传播特征基本相似,1990年在英国的要求下,包括2个75MHz子频带的1800MHz频带也被GSM规范采用,即1710MHz~1785MHz(移动台发、基站收)和1805MHz~1880MHz(基站发、移动台收)。
相应地,中国国家无线电管理委员会分配给GSM1800的频带为45MHz(其余30MHz频带预留给PCS),即1710MHz~1755MHz(移动台发、基站收)和1805MHz~1850MHz基站发、移动台收)。
由于GSM在900MHz和1800MHz上的频率复用技术基本一致,因此无论是ETSI还是国家无委的规定,1800MHz上的频率资源均比900MHz上的频率资源富裕得多。
利用1800MHz频段比较宽松的资源,采用GSM900/1800双频段操作,将会极大地缓解目前GSM900的容量压力,同时,由于GSM1800和GSM900在系统组网、工程实施、网络维护及支持的业务等方面比较一致,而且也不用考虑GSM1800和GSM900之间的频率干扰,因此可以非常快速、有效地组建GSM900/1800双频网。
当然GSM900/1800双频网的有效运作必须基于双频手机的普及使用,只有拥有一定数量的双频手机用户群后,才能通过组建双频网使GSM1800从不堪负荷的GSM900网中吸收一定的话务量,以达到分流GSM900负荷的目的。
双频网的网络架构
GSM900和GSM1800双频组网目前主要有独立组网和共用MSC、共用BSC、共用BTS等几种方式,在具体组网时应根据现网的情况灵活掌握。
下面将从技术、工程、投资等方面就上述几种方式分别进行比较。
1、独立组网
GSM900与GSM1800系统从交换网到无线网均互相独立,自成系统。
这种方式较适用于中、大规模的城市,而且话务热点地区大范围连续覆盖的情况。
该方案的优点是网络结构相对独立,不用对现有的GSM900系统设备做任何的软、硬件的修改,对现网改动少,保证了原来系统的稳定运行和服务质量;
同时,将来GSM900和GSM1800可以分别进行扩容和调整,避免相互之间产生影响。
缺点是同一个覆盖区域内的GSM900小区和GSM1800小区分别属于不同的位置区(LAC),凡双频切换均会引起位置更新,导致交换机的处理开销大大增加,并容易引起掉话率的升高,必须采取有效措施控制位置更新的流量。
另外,独立组网的初期投资也相对较大。
2、共用MSC,不共用BSC
DCS1800与GSM900系统共用MSC、不共用BSC,在无线网层次上仍互相独立。
这种方式较适合于话务热点区域相对较大的地区。
该方案的优点是同一覆盖区内的GSM900小区和GSM1800小区属于同一位置区,双频切换主要发生在交换机内部,对交换机的处理开销影响较小,切换成功率较独立组网方式高。
另外,GSM900和GSM1800的无线网络相互独立,可分别进行无线频率规划,且相邻小区关系也相对简单。
缺点是由于GSM900一般都先于GSM1800建设,已基本划定相应的位置区,且各交换机的处理能力及接口也有限,引入GSM1800后,现有GSM900的交换区划分需重新调整,对现网A接口及LAC数据等影响较大,而且部分MSC由于GSM1800系统的引入,需要进行相应的扩容,对现网有一定的扩容割接工作量。
3、共用BSC
共用BSC,GSM1800与GSM900从交换网至无线网均为同一平台,互相融合。
这种方式较适合于话务热点和高密度区呈零星分布的情况。
该方案的优点是同一覆盖区内的GSM900和GSM1800小区属于同一位置区,而且,同一BSC服务区域内的双频切换也仅占用BSC的内部链路,不占用A接口上的信令链路,位置更新流量更小,双频切换速度更快。
缺点是必须采用大容量的BSC,才能确保网络的相对稳定性,否则,由于BSC的处理能力及端口数量的限制而引起的频繁的A接口和Abis接口调整,将很不利于网络的稳定。
而且,这种组网方式的无线网络结构不如方式1、2清晰,每一个基站的调整都将同时影响GSM900和GSM1800的局数据。
4、共用BTS
这里所指的BTS,并不是指逻辑上的BTS,而是指物理上的BTS机柜,即GSM900和GSM1800的载频共用一个机柜。
这种配置方式的优点是非常灵活,对硬件的改动很小,对BSC软件的配置影响也很小,特别适用于某些局部区域出现话务过载(如体育馆、展览馆、车站等附近),而GSM900频率资源、机房等又已经相当紧张的场合。
此时,为了迅速缓解话务紧张状态,可以在原GSM900机柜中混插GSM1800载频,用于吸收话务量。
这种方式的局限是原有BTS机柜必须支持GSM900和GSM1800混插。
双频网的优化
由于GSM900/1800双频网工作在900MHz和1800MHz两个频段上,其建设和运营均较单一频率的GSM网络更为复杂,为了使GSM900和GSM1800良好配合,使其既满足网络覆盖的要求,又满足容量的需求,不仅要在组建双频网时根据需求的具体情况选择一种合适的网络结构,而且在网络投入运营后,仍需要根据实际运行情况,针对双频网的特点进行网络调整与优化,以期最大地发挥双频网的效益。
使双频手机尽量运行在GSM1800上,以分流GSM900的话务,是目前双频网优化的基本原则。
根据GSM规范,手机有两种状态,即空闲(Idle)模式和专用(Active)模式。
相应地,双频网的网络优化就是在空闲模式下,使手机能驻留在GSM1800小区,在专用模式下,在保证通话质量的前提下使手机能保持在GSM1800小区。
下面主要从小区选择、小区重选及双频切换三个方面来讨论。
1、小区选择
小区选择是双频网优化的第一步,小区选择的方案是让双频手机尽量优先选择GSM1800,这样可以更合理地分配有限的频率资源,避免双频手机和单频手机在小区选择上都争夺GSM900的频率资源,造成在GSM900小区的拥塞,而在GSM1800小区上的频率闲置。
小区选择的具体实现如下:
手机开机后会与归属的GSM网进行联系,选择一个合适的小区,从中提取控制信道的参数和其它系统消息,完成小区选择过程。
在GSM规范中,规定了小区选择的依据参数是路径损耗准则C1,C1与允许的最低接入电平有关。
手机所选择的小区的C1值必须大于0,同时还要判断小区是否被禁止接入、小区的优先级等因素,在满足C1标准的前提下,手机将选择优先级高的小区。
双频网优化中的小区选择就是通过将GSM1800的小区和GSM900的小区分别设定不同的优先级,来使双频手机在小区选择时优先选择GSM1800的。
由于GSM1800频段的信号衰耗较大,在GSM900和GSM1800共存的情况下,GSM1800小区的信号强度通常低于GSM900,因此在设置小区优先级时就应该将GSM1800小区的优先级设为“正常”,将GSM900小区的优先级设为“低”,具体实现是:
在小区信号满足C1准则的前提下,设置小区的CBQ(Cell_Bar_Qualify)和CBACell_Bar_Access值,如将GSM1800的小区的CBQ设为0(高),GSM900的小区的CBQ设为1(低)。
2、小区重选
上面描述了手机开机时的小区选择过程,当双频手机已经占上了GSM1800以后,如何让其继续保持在GSM1800上,也是非常重要的,因为如果手机通过小区重选又回到GSM900上,就失去了组建双频网以分流GSM900负荷的目的,而且也增加了双频切换对网络的压力。
下面就来分析一下当手机处于空闲模式下的小区重选过程。
在空闲模式下,手机停留在所选的小区中,通过接收该小区的系统消息,检测BA列表,测量该列表中相邻小区的BCCH载频的信号电平,记录其中信号电平最大的6个相邻小区,并从中提取出每个相邻小区的各类系统消息和控制消息,在满足一定的条件(主要是无线信道质量等)时,手机将从当前小区转移到另一个小区。
由于无线电波传输的多径效应等影响,即使手机位于原地不动,其接收电平的相对情况也会不断发生变化,因此也会导致小区重选,并有可能进一步导致双频切换,加大对网络的压力。
为了避免在同一覆盖区中仅仅由于GSM1800和GSM900的信号电平的细微区别而引起的不必要的双频切换,必须对小区重选采取一定的控制措施,双频网络中对小区重选的控制主要是通过优化小区重选偏移量(Cell_Reselect_Offset)这个参数来实现的。
小区重选偏移量是一个可以对双频网络人为定义优先级的关键性参数,在双频网络中,可以采用不同的小区重选偏移量来人为影响小区重选的排序。
具体设置小区重选偏移量时,一般可以使在GSM1800小区的小区偏移量比GSM900小区的数值高约20~30dB,也就是说只要GSM1800小区的接受电平不低于GSM900小区的接收电平20~30dB,移动台就会选择GSM1800小区。
由于接收电平的范围从-48dBm~-110dBm跨度仅在62dB左右,因此20~30dB的偏移值使得双频手机在双频重叠覆盖区域移动时,几乎不转移到GSM900小区,从而达到降低位置更新压力的目的。
但在调整小区重选偏移量这个参数时必须注意两点:
首先是如果GSM1800网络的覆盖不理想而这个偏移量又设得较大的话,将会导致移动台即使在GSM1800小区的接收电平比较低的情况下,依然选择GSM1800小区,导致通话质量下降;
其次是当双频手机普及率不断增大的情况下,该值需要适当地回落,以均衡在GSM1800上的手机容量。
总之,正确运用调整小区重选偏移量的方法可以确保一定数量的双频手机在小区重选后仍位于GSM1800网内,对于整个网络的容量分流起着至关重要的作用。
3、小区切换
手机在通话过程中,当有更合适的小区出现时,手机会切换到该小区,以保持良好的通话质量,这就是小区切换。
目前,GSM900/1800双频组网最常见的方式是在原有GSM900的覆盖上再叠加GSM1800的覆盖,通过GSM1800来吸收GSM900的负荷。
在当前双频手机还不是很多的情况下,双频网中小区切换的优化就是让GSM1800系统具有比GSM900系统更高的优先级,使手机在保证通话质量的条件下更容易切换到GSM1800系统并在通话过程中尽可能保持在GSM1800小区,以达到分担GSM900负荷的目的。
其具体实现方案因各设备厂家的不同而不同,主要有以下几种:
(1)设置双频负荷门
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